(57)【要約】【課題】  複数の動力源の出力を空気供給コンプレッサと車両駆動トルクとに適切に分配する。【解決手段】  第１の動力源１と、第２の動力源２とは、図示しない燃料電池の発電電力で駆動される。動力分配機構は、サンギアＳ１，Ｓ２、プラネタリピニオンＰ１〜Ｐ４、リングギアＲ１からなる遊星歯車機構である。第１の動力源１、第２の動力源２から遊星歯車機構に入力された動力は、補機８と駆動輪９とに分配される。車両制御器５は、補機８であるコンプレッサーに分配されるトルクを調整して燃料電池に供給する空気圧力を調整し、また図示しない調整弁の開度を調整して燃料電池に供給する空気流量を制御する。【選択図】    図１
2007066640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と水素の供給を受けて、化学反応により電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサーと、
前記燃料電池から排出される空気の流量を調整する調整弁と、
少なくとも一つは前記燃料電池の電力で駆動される複数の動力源と、
前記複数の動力源の出力を前記コンプレッサーを含む複数の負荷に分配する動力分配機構と、
を備えた燃料電池搭載車両の制御装置であって、
前記動力分配機構から前記コンプレッサーに分配するトルクを調整して、燃料電池に供給する空気の圧力を制御する空気圧力制御手段と、
前記調整弁を調整して燃料電池に供給する空気の流量を制御する空気流量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池搭載車両の制御装置。
【請求項２】
前記ガス圧力制御手段は、
燃料電池入口の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
該圧力検出手段が検出した前記圧力が所望の圧力に一致するように前記コンプレッサーの駆動トルクを調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
【請求項３】
前記ガス圧力制御手段は、
予め求められたコンプレッサーのトルクに対する圧力比の関係に基づいて、目標ガス圧力を実現するコンプレッサーの駆動トルクを算出し、算出したトルクをコンプレッサーの目標駆動トルクとすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
【請求項４】
前記ガス流量制御手段は、
ガスの流量を計測する流量計測手段を備え、
前記流量が所望の流量に一致するように前記調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
【請求項５】
前記ガス流量制御手段は、
前記コンプレッサーの回転数とガス流量との関係より、所望のガス流量が得られるコンプレッサーの回転数を求め、該回転数に一致するように前記調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
【請求項６】
前記動力分配機構の負荷の１つが車両駆動軸であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池搭載車両の制御装置に係り、特に複数動力源から動力分配機構により燃料電池の空気供給コンプレッサーに分配する動力の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
ところで、コンプレッサーと調整弁を用いて燃料電池に供給する空気の圧力と流量を調整する燃料電池搭載車両の制御装置として、コンプレッサーの回転数を制御してガスの流量を調整すると同時にガス経路の下流に設けられた調整弁の開度を制御してガス圧力を調整するものが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３５２８２６号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池車両において最大負荷容量を有するのは、言うまでもなく車両駆動用モータであり、次に大きい負荷容量を有するものは、空気供給用コンプレッサーの駆動モータである。ここで、車両駆動用モータの動力とコンプレッサー駆動用モータの動力とを動力分配機構に入力し、動力分配機構から駆動輪とコンプレッサーという二つの負荷へ動力を分配する構成とすると、以下の利点が生じる。即ち、コンプレッサー駆動用モータまたは車両駆動用モータの何れか一方が故障しても他方のモータの駆動力をコンプレッサーと車両駆動軸とに分配することで、燃料電池の発電及び車両走行が継続可能となる。
【０００５】
ところで、通常、車両の駆動モータはトルクを制御目標とし、回転数を制御目標とすることはない。即ち運転者のアクセル操作量は、要求トルクとみなされ、これに応じて駆動トルクを制御し、駆動トルクの増減結果と各種抵抗により、結果として駆動モータの回転数（車速）が変化する。
【０００６】
一方、燃料電池の空気供給コンプレッサーは、一般的に回転数を制御する。つまり制御の対象は流量なので、回転数＝流量となる。よって所定の回転数になるように制御し、結果的にはトルクを増減させることになる。
【０００７】
しかしながら、複数の動力源からの動力を動力分配機構によりコンプレッサーと駆動輪とに動力分配する構成では、駆動輪の駆動をトルクで制御する場合に、コンプレッサーを従来のように回転数で制御することは、動力分配機構の一方の負荷の目標トルクと、他方の負荷の目標回転数とを要求することになり、両者を同時に満足できないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明は、空気と水素の供給を受けて、化学反応により電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサーと、前記燃料電池から排出される空気の流量を調整する調整弁と、少なくとも一つは前記燃料電池の電力で駆動される複数の動力源と、前記複数の動力源の出力を前記コンプレッサーを含む複数の負荷に分配する動力分配機構と、を備えた燃料電池搭載車両の制御装置であって、前記動力分配機構から前記コンプレッサーに分配するトルクを調整して、燃料電池に供給する空気の圧力を制御する空気圧力制御手段と、前記調整弁を調整して燃料電池に供給する空気の流量を制御する空気流量制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池に空気供給するコンプレッサーをトルクにて制御するので、動力分配機構からコンプレッサーに動力供給する出力軸と駆動輪または減速機に動力供給する出力軸の両方をトルクにて制御することができ、出力軸間に矛盾無く動力を分配することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、動力分配機構が遊星歯車機構の場合を例として記載する。また、発明において必要な構成のみを図示し、遊星歯車機構のケース、軸受等の詳細は省略する。
【００１１】
図１は、本発明に係る制御装置の一実施形態を含む燃料電池搭載車両の要部構成図である。同図において、燃料電池搭載車両は、第１の動力源１と、第２の動力源２を備える。本実施形態では、第１の動力源１、第２の動力源２は、図示しない燃料電池の発電電力をそれぞれ第１の制御器３、第２の制御器４を介して動力に変換する、例えば永久磁石式同期モータである。第１の制御器３、第２の制御器４は、車両制御器５の制御に基づいて、燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータである。
【００１２】
車両制御器５には、図示しない、車速センサ及びアクセル操作量センサの検出信号が入力されている。車両制御器５は、これらセンサ検出信号に基づいて、車両の目標駆動トルク、燃料電池の目標発電電力を算出する。さらに、車両制御器５は、第１の制御器３、第２の制御器４を制御して、動力分配機構から補機８及び駆動輪９への分配トルクを制御する。
【００１３】
動力源１が発生する出力は、サンギヤＳ１、サンギヤＳ２、プラネタリピニオンＰ１、プラネタリピニオンＰ２、プラネタリピニオンＰ３、プラネタリピニオンＰ４、リングギヤＲ１からなる遊星歯車機構の入力Ｉ１となり、サンギヤＳ２へ入力される。
【００１４】
また、動力源２が発生する出力は、ギヤ６を介して入力Ｉ２となり、サンギヤＳ１へ入力される。プラネタリピニオンＰ２およびプラネタリピニオンＰ４は、サンギヤＳ１とプラネタリピニオンＰ１およびプラネタリピニオンＰ３を介したサンギヤＳ２の回転、各ギヤのギヤ比によって自転とリングギヤＲ１内を回転する公転の回転数が決まる。同時にリングギヤＲ１の回転数もこれらのプラネタリピニオンの回転数によって決まる。
【００１５】
ここで、プラネタリピニオンＰ１、プラネタリピニオンＰ２、プラネタリピニオンＰ３およびプラネタリピニオンＰ４は、キャリアＣ１、出力Ｏ１を介して最終的に駆動輪９に接続されており、リングギヤＲ１は出力Ｏ２、ギヤ７を介して最終的に補機８と接続されているため、結果的に入力Ｉ１と入力Ｉ２を制御することで、駆動輪９と補機８の回転が所望の回転数に制御できる。ここで、入力Ｉ１と入力Ｉ２とは同軸状に構成されており、同様に出力Ｏ１と出力Ｏ２も同軸状に構成されている。
【００１６】
また、プラネタリピニオンＰ１とプラネタリピニオンＰ３は同じギヤをサンギヤＳ１とリングギヤＲ１の間に２つ入れる意味であり、プラネタリピニオンＰ２とプラネタリピニオンＰ４もサンギヤＳ２とプラネタリピニオンＰ２、Ｐ４との間に同じギヤを２つ入れる意味である。
【００１７】
図２は、燃料電池の構成例を示す構成図である。燃料電池１０１は、カソード１０１ａとアノード１０１ｂとの間に、例えば固体高分子電解質膜を挟持した固体高分子型燃料電池である。
【００１８】
図１に示した動力分配機構の出力Ｏ２からギア７を介して駆動される補機８は、図２のコンプレッサー１０４である。コンプレッサー１０４の上流には、ガスの流量を計測する流量センサ１０３が設けられており、図示しないコントローラに信号が送られる。コンプレッサー１０４で圧縮された空気は、燃料電池１０１のカソード１０１ａに供給され、その入口には供給するガスの圧力を計測する圧力センサ１０５が設けられており、図示しないコントローラに信号が送られる。カソード１０１ｂの下流には調整弁１０６が設けられており、図示しないコントローラからの指令に応じて調整弁１０６の開度を調整することができる。
【００１９】
燃料電池１０１のアノード１０１ｂに供給される水素ガスは、水素タンク１０７に高圧で貯蔵されている。高圧水素は、コントローラにより制御される調圧弁１０６により所望の圧力に調整されて、アノード１０１ｂに供給される。アノード１０１ｂから排出されるガスは、水素循環路１０９と、水素循環ポンプ１１０にてアノード１０１ｂへ再循環される。また、水詰り時、窒素ガスの排出時、起動停止時などにアノード１０１ｂ及び水素循環路１０９内部のガスを大気に放出するパージ弁１１１が設けられている。
【００２０】
次に、図３のフローチャートを参照して、本発明における制御を説明する。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）３０１で圧力調整処理を行い、燃料電池１０１に供給するガスの圧力の調整を行う。次いでＳ３０２で、流量調整処理を行い、燃料電池に供給するガスの流量の調整を行う。
【００２１】
図４は、燃料電池入口の空気圧力を検出する圧力センサ１０５が検出した圧力が所望の圧力に一致するように、コンプレッサー１０４の駆動トルクを調整する場合の圧力調整処理の詳細を説明するフローチャートである。
【００２２】
まずＳ４０１では、燃料電池の運転状況（取り出し電流など）に応じて、予め車両制御器５に記憶した制御マップ等を参照して目標ガス圧力を決める。Ｓ４０２では、図２の圧力センサ１０５の検出値を読み込む。Ｓ４０３では、目標ガス圧力と圧力センサ検出値との偏差を求め、Ｓ４０４では、偏差に応じたフィードバック量（Ｆ／Ｂ）量を算出し、Ｓ４０５では、コンプレッサー軸の目標トルクを算出する。これにより、燃料電池入口のガス圧が目標のガス圧力に一致するようにコンプレッサー駆動軸に発生するトルクを調整することができ、燃料電池に供給する空気圧力を適切に調整できるという効果がある。
【００２３】
図５は、予めコンプレッサーのトルクに対する圧力比の特性に基づいて、目標ガス圧力を実現するコンプレッサーの駆動トルクを算出して、この算出したトルクを目標駆動トルクとする場合の圧力調整処理の詳細を説明するフローチャートである。
【００２４】
Ｓ５０１では、燃料電池の運転状況（取り出し電流など）に応じて、予め車両制御器５に記憶した制御マップ等を参照して目標ガス圧力を決める。Ｓ５０２では、コンプレッサーの特性より求めた圧力比（圧縮前のガス圧と圧縮後のガス圧との比）とトルクの関係より、コンプレッサー軸の目標トルクを算出する。詳細は後述する。これにより、圧力センサが無くても燃料電池に供給する空気圧力を適切に調整でき、さらに、圧力と流量は互いに影響を及ぼしあうが、直接圧力をフィードバック制御しないので、空気の流量制御と干渉することが無くなるという効果がある。
【００２５】
図６は、流量センサ１０３に検出値が目標流量に一致するように、調整弁１０６を制御して空気流量を調整する場合の流量調整処理の詳細を説明するフローチャートである。
【００２６】
Ｓ６０１では、燃料電池の運転状況（取り出し電流など）に応じて、予め車両制御器５に記憶した制御マップ等を参照して目標ガス流量を決める。Ｓ６０２では、図２の流量センサ１０３の検出値を読み込む。Ｓ６０３では、目標ガス流量と流量センサ検出値の偏差を求め、Ｓ６０４では、偏差に応じたＦ／Ｂ量を算出し、Ｓ６０５では、調整弁１０６の開度目標値を算出する。これにより、流量センサの検出値が目標ガス流量に一致するように調整弁の開度を調整することができ、燃料電池に供給する空気の流量を適切に調整できるという効果がある。
【００２７】
図７は、コンプレッサーの回転数とガス流量との関係より、所望のガス流量が得られるコンプレッサーの回転数を求め、この回転数に一致するように調整弁１０６の開度を調整する場合の流量調整処理の詳細を説明するフローチャートである。
【００２８】
Ｓ７０１では、燃料電池の運転状況（取り出し電流など）に応じて、予め車両制御器５に記憶した制御マップ等を参照して目標ガス流量を決める。Ｓ７０２では、コンプレッサー１０４の特性より求めたコンプレッサー回転数と流量の関係より、コンプレッサー１０４の目標回転数を求める。詳細は後述する。Ｓ７０３では、コンプレッサー１０４の回転数を読込み、Ｓ７０４では、コンプレッサーの目標回転数と実回転数の偏差を求め、Ｓ７０５では、偏差に応じたＦ／Ｂ量を算出し、Ｓ７０６では、調整弁１０６の開度目標値を算出する。
【００２９】
以上の制御によれば、予め求めたコンプレッサーの回転数と流量との関係により、目標ガス流量を実現するのに必要な回転数を求め、その回転数に一致するように調整弁の開度を調整する構成なので、燃料電池に供給されるガスの流量を適切に調整でき、さらに、ガス圧力とガス流量は互いに影響を及ぼしあうが、直接ガスの流量をフィードバック制御しないので、ガスの圧力制御と干渉することが無くなるという効果がある。
【００３０】
次に、コンプレッサー特性に基づいたコンプレッサー駆動トルクの求める方法を説明する。コンプレッサーの圧力比と流量とトルクとの関係は、例えば、図１０に示すような関係となっている。図中、細い実線は等回転数線であり、右側程回転数が高くなる。この関係を予め実験的に求めて、制御マップとして記憶しておけば、圧力比と流量より、制御マップを検索して、コンプレッサーの駆動トルクを求めることができる。また、流量の変化に対するトルクの変化への感度は、圧力比のそれに比べ小さいので、コンプレッサーのトルクと圧力比の関係は図８に示すようになると考えてもよい。
【００３１】
次に、コンプレッサー特性に基づいたコンプレッサー回転数の求める方法を説明する。コンプレッサーの圧力比と流量と回転数との関係例を図１１に示す。図中、細い実線は等トルク線であり、上側程トルクが高くなる。この関係を予め実験的に求めて、制御マップとして記憶しておけば、圧力比と流量より、コンプレッサーの回転数を求めることができる。また、圧力比の変化に対する回転数の変化への感度は流量のそれに比べ小さいので、回転数と流量の関係は図９に示すようになると考えてもよい。
【００３２】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定する為に記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属するすべての設計変更をも含む趣旨である。
【００３３】
例えば、図１においてリングギヤＲ１の内側を回転するプラネタリピニオンはプラネタリピニオンＰ２とプラネタリピニオンＰ４の２個の場合を記載しているが、同じものを３個もしくは４個としてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、第１の動力源及び第２の動力源をともに燃料電池の発電電力で駆動される電気モータとしたが、第１の動力源又は第２の動力源の一方を燃料電池の電力を使用した動力源以外の動力源、例えば、内燃機関としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る燃料電池搭載車両の制御装置の実施形態を説明する構成図である。
【図２】燃料電池の構成例を示す構成図である。
【図３】実施形態の制御装置の動作を説明する概略フローチャートである。
【図４】圧力調整処理の詳細のフローチャートである。
【図５】圧力調整処理の詳細のフローチャートである。
【図６】流量調整処理の詳細のフローチャートである。
【図７】流量調整処理の詳細のフローチャートである。
【図８】コンプレッサのトルクと圧力比との関係を示す図である。
【図９】コンプレッサの回転数と流量との関係を示す図である。
【図１０】コンプレッサの圧力比と流量と回転数との関係を示す特性図である。
【図１１】コンプレッサの圧力比と流量とトルクとの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…第１の動力源
２…第２の動力源
３…第１の制御器
４…第２の制御器
５…車両制御器
６、７…ギヤ
８…補機
９…駆動輪
Ｓ１、Ｓ２…サンギヤ
Ｃ１…キャリア
Ｒ１…リングギヤ
Ｐ１、Ｐ４…プラネタリピニオン
Ｉ１、Ｉ２…入力
Ｏ１、Ｏ２…出力
【図１】
2007066640.tif 000003
【図２】
2007066640.tif 000004
【図３】
2007066640.tif 000005
【図４】
2007066640.tif 000006
【図５】
2007066640.tif 000007
【図６】
2007066640.tif 000008
【図７】
2007066640.tif 000009
【図８】
2007066640.tif 000010
【図９】
2007066640.tif 000011
【図１０】
2007066640.tif 000012
【図１１】
2007066640.tif 000013